Введение к работе
Актуальность работы
Современные органические наноматериалы – углеродные нанотрубки, графены, фуллерены и другие получаются в результате сложных и дорогостоящих технологических операций. Поэтому поиск более дешевых органических материалов для электроники и электротехники является важной задачей химической технологии. Определенную перспективу имеют нефтяные асфальтены, поскольку в их молекулах аналитическими методами установлено наличие замещенных нафтеноароматических, полисопряженных ароматических фрагментов и неспаренных электронов, которые присутствуют в органических электропроводящих структурах. По имеющимся на сегодняшний день данным, содержание асфальтенов в нефти составляет 0,1-5% масс., в природных асфальтах и битумах до 75% масс., в высококипящих фракциях процессов нефтепереработки до 30% масс. Кроме того известно, что асфальтены в нефтяных дисперсных системах находятся в виде разнообразных надмолекулярных структур размером от 1 до 1000 нм, что позволяет рассматривать их в качестве перспективного объекта нанотехнологий.
В 1980-2000 гг. с применением спектроскопических, электрических и квантово-химических методов была показана возможность использования асфальтенов различного происхождения в качестве органических электропроводящих материалов. Но, несмотря на серьезные исследования в данной области важной проблемой, препятствующей направленному получению материалов с различными свойствами на основе нефтяных асфальтенов, является недостаточная изученность их структурно-химических характеристик. Кроме того, актуальной представляется разработка технологического способа получения асфальтенов с различными электропроводящими свойствами.
Цель работы: исследование особенностей электронной и молекулярной структуры наночастиц нефтяных асфальтенов и разработка способа получения электропроводящих материалов на основе нефтяных асфальтенов.
Задачи:
- выделение асфальтенов из нефтяного сырья и экспериментальное исследование их электронной структуры,
- исследование электронных характеристик модельных фрагментов нефтяных асфальтенов,
- изучение молекулярных и надмолекулярных структур наночастиц нефтяных асфальтенов,
- разработка технологического способа выделения асфальтенов, различающихся электронными характеристиками, из нефтяных высококипящих фракций.
Научная новизна
- впервые показано, что в молекулярной составляющей вещества (диамагнитной фазе) нефтяных асфальтенов преобладают диэлектрические свойства, а свободно-радикальная составляющая (парамагнитная фаза) играет роль добавки, повышающей электропроводность;
- установлена непланарная «чашеобразная» структура нафтено-ароматических молекулярных фрагментов наночастиц нефтяных асфальтенов;
- установлено, что в молекулярной структуре нефтяных асфальтенов присутствуют димеры и тримеры, которые группируются в кластеры.
- определена энергия образования кластеров нефтяных асфальтенов, образованных из тримеров.
Практическая значимость
- показана перспективность применения нефтяных асфальтенов как электропроводящих материалов,
- предложены способ и устройство для получения асфальтенов с различными электропроводящими свойствами путем ступенчатой деасфальтизации нефтяных остатков различными растворителями,
- разработанная методика определения структурно-химических свойств асфальтенов включена в лабораторный практикум по дисциплине «Общая и неорганическая химия» при подготовке специалистов и бакалавров по специальностям и направлениям: «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», «Техносферная безопасность» и «Технологические машины и оборудование».
Основные результаты диссертационных исследований обсуждались на конференциях: 5th , 6th International Meeting on Molecular Electronics» (Гренобль, Франция, 2010, 2012), 13-th V.A. Fock Meeting on Quantum and Computational Chemistry (Астана, Казахстан, 2012), «1th International Conference nanomaterials: APPLICTIONS&PROPERTIES» (Алушта, Украина, 2011), «XVIII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia» (Самара, 2011), на Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка» (Уфа, 2010, 2012), на Всероссийской молодежной конференции «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники» (Уфа, 2012), на Десятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010), на IV Всероссийской научной конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения)» (Уфа, 2011), на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (Уфа, 2010), Международной научно-практической конференции «Современные вопросы науки –XXI век» (Тамбов, 2011, 2012), на секции химии Республиканского научного семинара «Актуальные проблемы исследования сложных систем» в 2010-2012 гг.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 31 публикации, из них: 8 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ для публикации, получены два патента РФ.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 175 страницах, состоит из введения, 4 глав, выводов; содержит: 39 таблиц, 30 рисунков, 217 наименований цитируемой литературы, приложения.
